基于多模型优化与集成的流域土壤氮素淋失时空分异模拟与评估

Soil nitrogen leaching is a key factor influencing the eutrophication of surface waters and the nitrate pollution of groundwater. It has become a hot issue in the study of nitrogen loss. This study takes the typical land uses (tea garden, moso bamboo forest, mixed forest and farmland) in Zhongtian River Basin as research objects. We will measure soil moisture data and regularly sample the soil solution to analyze the nitrogen concentrations. The virtual water pool and Langmuir model will be introduced. Based on this, traditional field scale nitrogen leaching models (HYDRUS, LEACHM and DNDC) will be improved. Based on the model parameter sensitivity analysis and the random sampling technique, the multi-parameterization and multi-model simulation system of soil nitrogen leaching will be developed. In addition, the Zhongtian River basin will be divided into a number of hydrological response unit (HRU) by using the GIS techinque. The spatio-temporal patterns of soil nitrogen leaching in this basin will be obtained based on the multi-model simulation system and HRU. The hot moments, hot spots and driving mechanism of soil nitrogen leaching will then be analyzed. Finally, the nitrogen leaching risk under different environemtnal conditions will be evaluated. This research will provide support for controlling watershed nonpoint source pollution of nitrogen.

土壤氮素淋失是导致地表水体富营养化和地下水硝酸盐污染的重要影响因素。本课题以太湖流域上游中田河流域典型土地利用类型（茶园、毛竹林、混交林和农田）为研究对象，长期监测土壤水分动态和渗漏液中各种形态氮的浓度，构建三种地块尺度土壤氮淋失模型（HYDRUS、LEACHM和DNDC），并通过引入虚拟土壤水库、Langmuir模型和优化土壤水力性质等方法改进模型；结合模型参数敏感性分析和随机抽样技术，构建基于多参数化和多模型方案的土壤氮淋失集成模拟系统；基于流域土地利用、地形和土壤性质等，借助GIS空间叠加分析技术生成水文响应单元（HRU），利用集成模拟系统预测各HRU内氮淋失过程和通量，实现流域土壤氮淋失时空分异模拟和空间尺度拓展，进而揭示土壤氮淋失热点时间、区域和驱动机制，对氮淋失强度进行预测与风险评估，提出靶向性的流域氮素和土地利用空间优化管控措施。本研究旨在为流域面源氮素污染控制提供决策支持。

土壤氮素淋失是导致地表水体富营养化和地下水硝酸盐污染的重要影响因素。本课题以太湖流域典型小流域典型土地利用类型（茶园、毛竹林和混交林）为研究对象，长期监测土壤水分动态和渗漏液中各种形态氮的浓度，基于Hydrus和DNDC耦合地块尺度土壤氮淋失模型，并通过引入淋失公式和优化土壤水力性质等方法改进模型；结合模型参数敏感性分析和随机抽样技术，构建基于多参数化和多模型方案的土壤氮淋失集成模拟系统。模拟结果表明，在模拟期内茶园坡面累积土壤硝态氮淋失通量为71.68 kg N (ha-1 · yr-1)。从时间变化看，茶园坡面土壤硝态氮淋失的热点月份为2016年4月，其次为2016年11月和2017年1月。基于流域土地利用、地形和土壤性质等，借助GIS空间叠加分析技术生成55个水文响应单元（HRU），利用集成模拟系统预测各HRU内氮淋失过程和通量，实现流域土壤氮淋失时空分异模拟和空间尺度拓展。研究发现，小流域年平均土壤NO3--N淋失和N2O排放通量分别为27.54和1.45 kg N ha-1。假定小流域用地类型全为茶园并进行模拟，揭示土壤水力性质是影响NO3--N淋失的关键因素，而土壤碳和氮含量对N2O排放的影响更显著。最后，根据最小化NO3--N淋失，最小化N2O排放和均衡削减NO3--N淋失和N2O排放三种方案，确定了优化的茶园用地空间布局。本研究旨在为流域面源氮素污染控制提供决策支持。